鋼管混凝土壺型式柱腳抗推性能研究

范德任

(重慶交通大學 土木工程學院,重慶 400074)

引言

近年來, 鋼管混凝土柱在工程中得到了廣泛的應用[1-3],柱腳作為柱與承臺的連接部分,其性能的優劣,對整個柱的抗震性能有著很大的影響, 外包式柱腳是將鋼柱位于基礎頂面以上, 通過在鋼柱的一定高度范圍內綁扎鋼筋和外包混凝土,將鋼柱腳包裹起來,抵抗彎矩作用,提高柱腳抗彎和抵抗變形的能力[4]。外包式柱腳相較于傳統柱腳具有傳力穩定和便于施工的優點,在實際工程中具有較大的實用價值。

Xu W, Han L H, Li W[5]采用擬靜力試驗對鋼管混凝土柱腳進行研究, 研究外包高度以及尺寸對試件承載力退化以及耗能情況的影響, 得到結論為對于尺寸較大的試件, 增加外包柱腳的高度可以使試件的承載力、剛度以及延性得到明顯的提升。

由于目前國內外對于外包式柱腳的研究相對較少[6-7],因此本研究提出一種壺型外包式柱腳,分別對普通鋼管混凝土柱以及設置了壺型外包的鋼管混凝土柱進行有限元模擬, 主要研究采用壺型外包式柱腳對鋼管混凝土柱的抗推性能的影響。

1 有限元分析模型

1.1 模型設計

為了研究壺型鋼管混凝土柱腳對鋼管混凝土墩柱受力性能的影響, 本研究以某直徑為1.1 m 的圓鋼管混凝土柱為原型,采用1/3 的縮尺模型,設計了未對柱腳進行修改的UBAP-1 以及在縮尺模型基礎上采用壺型柱腳的UBAP-HX 兩種墩柱。

UBAP-1 墩柱采用三個預制鋼管混凝土拼接而成,墩柱的高度為1 800 mm,鋼管外徑為350 mm,壁厚為12 mm,內部填充C40 混凝土,承臺尺寸為1 200 mm×800 mm×500 mm。UBAP-HX 墩柱在UBAP-1墩柱的基礎上,柱腳位置處設置外包壺型鋼筋混凝土,高度為875 mm(2.5 d,d 為鋼管外直徑),外包上部厚度為75 mm,下部厚度為200 mm。

1.2 網格劃分

在本研究的有限元模擬分析中,承臺、鋼管、外包段混凝土和核心混凝土均采用實體單元進行模擬,鋼筋則使用桁架單元模擬,為了兼顧有限元計算時的精度和速度,網格劃分時,模型各部件的單元大小控制在50～100 mm 之間。試件網格劃分見圖1。

圖1 試件網格劃分圖

1.3 材料本構關系

混凝土單軸受壓本構關系采用劉威[8]提出的核心混凝土單軸受壓本構關系,混凝土單軸受拉本構關系采用文獻[9]中的模型。本研究鋼材相關參數取值參考王萌[10]等擬合了適用于有限元分析的關鍵材料參數,如表1 所示。

表1 鋼材非線性混合強化模型材料參數

1.4 邊界條件和加載制度

鋼管與混凝土、承臺、壺型柱腳間的相互作用采用“面面接觸”模擬。考慮混凝土與鋼管的黏結作用,取摩擦系數為0.6。鋼筋均埋入(embeded)承臺和壺型外包中。在承臺底部設置固定端。模型的加載方案為集中力和位移增量相結合加載,具體加載過程分為兩步,先在柱頂施加500 kN 豎向荷載(0.1 軸壓比),使用降溫法對預應力筋施加500 kN 預應力(0.1 軸壓比),再在側面施加水平往復荷載。再在墩帽側面施加水平往復荷載,通過位移控制加載水平往復荷載。試件的初始加載位移角為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%, 再按照每級增加0.5%的位移進行加載,直到試件水平荷載降到峰值荷載的85%時停止加載。

2 數值分析結果

2.1 節點應力云圖

為了顯示和對比分析有限元模擬的破壞狀態,可根據應力云圖進行查看, 應力云圖能直觀的顯示試件的應力變化情況和各部位的變形等。UBAP-1 和UBAP-HX 墩柱在低周往復荷載作用下的應力云圖見圖2。

圖2 各試件整體應力云圖

UBAP-HX 墩柱中鋼柱最大應力出現在壺型外包段位置處的上部,UBAP-1 墩柱中鋼柱最大應力出現在承臺與墩柱的連接的柱腳處。壺型外包段的約束效應使鋼管混凝土柱塑性變形上移, 避免了在柱腳位置處的破壞。

2.2 滯回曲線分析

通過有限元模型計算得到墩柱的滯回曲線, 滯回曲線是墩柱在往復循環荷載作用下的柱頂反力與水平位移之間的關系。能綜合反應墩柱在水平往復荷載作用下的承載力及耗能能力,2 個試件的荷載- 位移滯回曲線見圖3。

圖3 試件滯回曲線

由圖3 可知,當加載位移較低時,滯回環較為集中乃至重疊,表明此時處于彈性節段;隨著水平位移的不斷增大,試件由彈性節段過渡到塑性階段,兩類試件滯回環面積均不斷增大,耗能能力不斷增強。可以看出,UBAP-HX 試件的峰值荷載比UBAP-1 試件的峰值荷載較大, 說明壺型外包能提高墩柱的承載能力。且UBAP-HX 試件曲線形狀較為飽滿, 說明其耗能能力較好,塑性變形能力較強,能較好的吸收水平往復荷載的能量。

2.3 骨架曲線對比

骨架曲線能夠反映試件的強度、延性等抗震性能指標。2 個試件的骨架曲線對比見圖4。

圖4 試件骨架曲線對比圖

由圖4 分析可知,在加載的初始階段,兩個試件的骨架曲線幾乎一致, 因為UBAP-HX 墩柱在柱腳處設置了壺型外包,所以獲得了較高的初始剛度。在位移達到20 mm 時,UBAP-HX 試件達到峰值承載力為136 kN, 在位移達到30 mm 時,UBAP-1 試件達到峰值承載力為62.1 kN, 隨后承載力隨著位移的增加而降低,UBAP-HX 試件的峰值承載力相對于UBAP-1 試件提高了119%左右,這主要是因為壺型外包的約束效應所造成的。

3 結論

本研究分別對壺型外包鋼管混凝土墩柱和普通鋼管混凝土墩柱進行了擬靜力試驗,得出以下結論:

(1) 壺型外包能提高試件的承載能力和剛度,本研究中, 設置了壺型外包的UBAP-HX 柱相對于未設置壺型外包的UBAP-1 柱的承載力提高了119%。

(2) 壺型外包的設置可讓鋼管的塑性鉸上移,避免了在柱腳位置處的破壞。